潛孔鉆機鉆架有限元分析

段少華

（江西銅業集團七寶山礦業有限公司，江西宜春 336403）

潛孔鉆機鉆架有限元分析

段少華

（江西銅業集團七寶山礦業有限公司，江西宜春 336403）

某型潛孔鉆機鉆架長度超過10 m，長細比大，是鉆機的主要承載部件。鉆孔作業過程中，鉆架除承受拉伸、壓縮、扭轉等載荷外，還受沖擊器沖擊振動的影響，受力情況復雜。通過對鉆機進行工況分析，得到各種典型工況下的極限受力狀態，再利用Ansys進行有限元分析，得到鉆架應力、位移分布情況和模態分析結果，校核鉆架是否滿足強度和剛度要求，是否有與沖擊器發生共振的可能。通過計算，鉆架結構強度和剛度滿足實際工程需要，且不會與沖擊器發生共振。

潛孔鉆機；鉆架；有限元

0 引言

潛孔鉆機是利用潛入孔底的沖擊器對巖石進行沖擊破碎的鉆孔機械，廣泛用于采礦作業和建筑爆破[1]。與常見的鑿巖機相比，潛孔鉆機具有鉆孔深，鉆孔直徑大，鉆孔效率高，適應范圍廣等特點，是當前通用的大型鑿巖設備[2]。革型潛孔鉆機的鉆架是鉆機的關鍵承載部件，鉆孔作業時，受力情況復雜，為保證鉆機能連續正常作業，設計時需對鉆架進行有限元數值模擬分析，保證滿足實際工程需要。

1 潛孔鉆機工作原理與鉆架結構

1.1 工作原理

潛孔鉆機具有獨立的回轉機構和沖擊機構，利用潛入孔底的沖擊器與鉆頭對巖石進行沖擊破碎。

潛孔鉆機的潛孔作業主要由推進機構、回轉機構、沖擊機構、提升機構和操縱機構等來完成。潛孔鉆機工作時，推進機構使鉆具連續推進，并使轉頭始終與孔底巖石接觸。回轉機構使鉆具連續回轉。同時，裝在鉆桿前端的沖擊器在壓氣的作用下，其活塞不斷沖擊鉆頭，鉆頭受沖擊后獲得能量，潛入孔底，產生使巖石受擠壓的沖擊力。鉆具回轉避免了鉆頭重復打擊在相同的鑿痕上，并產生了對孔底巖石起刮削作用的剪切力，在沖擊器活塞沖擊力和回轉機構的剪切力作用下，巖石不斷被壓碎和剪碎。壓氣由氣接頭進入，經由中空鉆桿直達孔底，把剪碎后的巖渣從轉桿與孔壁之間的環形空間吹到孔外，從而形成炮孔，完成鉆孔作業。

1.2 鉆架結構

潛孔鉆機鉆架組成如圖1所示，其采用二十根矩形鋼管與兩根槽鋼焊接而成，材料均采用Q345。鉆架上安裝有回轉頭、滑架、鉆桿庫、卸桿器、推進馬達和傳動鏈條等。槽鋼翼緣作為安裝回轉頭安裝座和滑架的導軌，為保證動力頭安裝座和滑架沿導軌滑動正常，鉆架必須滿足剛度要求。鉆孔作業時，推進電機通過傳動鏈條帶動回轉頭進行推進動作，回轉頭帶動鉆桿旋轉，配合沖擊器的沖擊動作，旋轉沖擊破碎巖石，實現鉆孔作業。

圖1 鉆架結構

2 工況分析與有限元模型建立

2.1 工況分析

某型潛孔鉆機基本性能參數如表1所示。

表1 T某型推進機構基本性能參數

通過對潛孔鉆機作業過程的綜合分析，忽略鉆架上安裝的質量較小零部件的重力影響，其作業過程可分為以下幾種典型工況。

（1）突然卡鉆工況

鉆機突然卡鉆[3]時，回轉頭承受鉆桿傳遞的沿Z向的推進反力20 kN，考慮到回轉頭5 kN的重力影響，將有15 kN的力通過傳動鏈條作用到推進馬達安裝座上，相當于在鉆架底部作用一個15 kN的集中力。而卡鉆形成的扭轉反力通過回轉頭安裝座作用于鉆架的導軌上，大小為4 800 N·m。滑架上的油缸達到最大工作行程時，扭轉反力對鉆架的影響最大，此時為極限受力狀態。滑架上的油缸推桿安裝座限制鉆架的Z向移動，滑架則限制鉆架除Z向移動外的5個自由度。鉆孔作業時，鉆架底部的頂尖接觸地面，6個自由度全部被約束。其受力和約束情況如圖2所示。

圖2 突然卡鉆工況

（2）卡鉆提升工況

鉆機卡鉆提升[4]時，回轉頭承受鉆桿傳遞的沿Z向的提升反力28 kN，提升反力與回轉頭重力疊加，通過傳動鏈條作用到鉆架上部鏈條滑輪的安裝座上，相當于在鉆架頂部作用一個33 kN的集中力。鉆架所受扭轉反力與約束情況和突然卡鉆工況相同。其受力和約束情況如圖3所示。

圖3 卡鉆提升工況

（3）鉆架啟升工況

鉆機鉆架起升時，其極限狀態出現在鉆架起升或落下的瞬間。因起升時加速度不大，不考慮慣性力的作用，僅考慮鉆架及安裝于其上的零部件總重力20 kN的作用。起升時，底部沒有約束，只有滑架對鉆架的約束。其受力和約束情況如圖4所示。

圖4 鉆架啟升工況

圖5 鉆架約束情況

另外，鉆機作業時，因沖擊器的工作方式會帶來振動，所以必須避免鉆架與沖擊器共振帶來的危害，這就要求對鉆架進行模態分析，求解鉆架的固有頻率。模態分析時，其約束情況如圖5所示。

2.2 有限元模型的建立

采用SolidWorks對鉆架進行三維實體建模，略去鉆架上的質量較小的零部件，僅保留鉆架。將實體模型導入Ansys，建立有限元計算模型。模型主要采用Solid45單元類型，根據模型大小和計算精度及時間，單元大小選為8，智能劃分網格，共有單元數量470 912個。鉆架采用Q345鋼，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-6kg/mm3[5]。模型有限元計算中力和約束的加載參照上節工況分析的結果進行，其中作用于鉆架的扭轉反力加載在回轉頭中心軸線上的任意一點，該節點通過耦合方式與鉆架連接，作用位置為回轉頭安裝座的安裝位置[6]。

3 有限元分析結果

3.1 突然卡鉆工況分析結果

突然卡鉆工況應力云圖如圖6所示。其中最大應力出現在鉆架與滑架上邊沿接觸的位置，最大值為22.9 MPa，滿足鉆架的強度要求。位移云圖如圖7所示。其中最大位移出現在鉆架頂端，最大值為5.274 mm，滿足鉆架的剛度要求。

圖6 突然卡鉆工況應力云圖

圖7 突然卡鉆工況位移云圖

3.2 卡鉆提升工況分析結果

卡鉆提升工況應力云圖如圖8所示。其中最大應力同樣出現在鉆架與滑架上邊沿接觸的位置，最大值為16.7 MPa，滿足鉆架的強度要求。位移云圖如圖9所示。其中最大位移同樣出現在鉆架頂端，最大值為5.318 mm，滿足鉆架的剛度要求。

圖8 卡鉆提升工況應力云圖

圖9 卡鉆提升工況位移云圖

圖10 鉆架啟升工況應力云圖

3.3 鉆架啟升工況分析結果

鉆架啟升工況應力云圖如圖10所示。其中最大應力同樣出現在鉆架與滑架上邊沿接觸的位置，最大值為192 MPa。鉆架啟升時，鉆機沖擊器不動作，不必考慮振動影響，且鉆機作業時，啟升動作不是很頻繁，所以鉆架按屈服強度校核，滿足強度要求[7]。位移云圖如圖11所示。其中最大位移同樣出現在鉆架頂端，最大值為6.13 mm，滿足鉆架的剛度要求。

圖11 鉆架啟升工況位移云圖

3.4 模態分析結果

鉆架的模態分析取前10階，如表2所示。鉆架整體剛度大，固有頻率較小，遠低于沖擊器30 Hz的沖擊頻率，不會與沖擊器產生共振。

4 結論

根據對某型潛孔鉆機鉆架各種典型工況的有限元分析結果，表明該潛孔鉆機鉆架的強度和剛度均滿足設計和實際工程要求。鉆架模態分析結果表明，鉆架固有頻率與沖擊器頻率相距較遠，不會產生共振。

表2 鉆架前10階固有頻率

［1］郭勇，周振華.潛孔鉆機的應用現狀與發展趨勢［J］.礦業快報，2008，24（4）：13-15.

［2］盧占鰲.我國露天礦用鉆機現狀及今后發展方向［J］.礦山機械，1990（11）：2-5.

［3］楊來銘，郭勇，謝雄.潛孔鉆機卡鉆機理的分析研究［J］.建筑機械：上半月，2009（1）：66-72.

［4］郭勇，王毅，李東明.潛孔鉆機智能防卡系統的研究［J］.筑路機械與施工機械化，2007，24（1）：53-55.

［5］聞邦椿.機械設計手冊：第6卷［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［6］楊天兵，張韜.露天潛孔鉆機平臺的結構改進和有限元分析［J］.建筑機械，2008（12）：77-80.

［7］易輝成，劉海燕，王杏芳.潛孔鉆機鉆架結構的有限元分析［J］.工程機械，2013，44（3）：15-18.

Finite Element Analysis of Drilling Frame on Down-The-Hole Drill

DUAN Shao-hua
（Jiangxi Copper Group，Qibaoshan Mining Co.，Ltd.，Yichun336403，China）

Drilling frame on Down-The-Hole drill that has large slenderness ratio and be longer than 10m is one component of Down-The-Hole drill which is mainly subjected to load.In the process of drilling，drilling frame is not only subjected to loads which are like tensile，compression and torsion and so on，and be under the influence of impacting and vibration of impactor，the situation of force is complicated.By analyzing of working condition of Down-The-Hole drill，there get all kinds of limit states of typical working conditions，and then using Ansys doing finite element analysis，there get distribution of the stress and strain of drilling frame and the result of modal analysis to check whether drilling frame meets the requirements of strength and stiffness or not，and whether it is possible to resonate with the impactor or not.By analysis，structure strength and stiffness of drilling frame on a Down-The-Hole drill meet the requirements of practical engineering，and drilling Frame does not resonate with the impactor.

Down-The-Hole drill；drill frame；finite element

TH128

：A

：1009－9492(2014)12－0228－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.059

段少華，男，1965年生，江西蓮花人，大學本科，助理工程師。研究領域：礦山設備維護管理與技改。

(編輯：王智圣)

2014－07－23